第30回寒地技術シンポジウム（2014年12月2日・3日・4日）

CTC 14-II-034

雪堆積場に適した冷熱採取方法の検討について
A study of cool energy collecting method suitable for snow dumping site

永長哲也 1，片野浩司 1，山口和哉 1
Tetsuya.EINAGA1，Kouji.KATANO1，Kazuya.YAMAGUCHI1
1（独）土木研究所 寒地土木研究所

1

Civil Engineering Research Institute for Cold Region Public Works Research Institute１ はじめに(1) 冷水循環式

再生可能エネルギーである雪冷熱エネルギーは、「新エ冷水循環式は、融解水を用いて熱交換することから、雪ネルギーの利用等の促進に関する特別措置法」において、山の下に採熱管を埋設することが基本となるが、平成 25

新エネルギーに位置付けられており、再生可能エネルギー

年度実施した雪山下面の採熱管埋設深さ 100mm の場合では、導入を推進する取組は、東日本大震災以降活発化している。

採熱管の破損を避けるため、雪山は２段階の造成が必要でまた、平成 24 年３月に「豪雪地帯特別措置法」が改正され、あった。

雪冷熱エネルギーの活用促進にかかる規定が追加された。

具体的には、雪山下面に埋設した採熱管の上にダンプト

雪冷熱エネルギーの利用にあたっては、地方自治体、民ラックが乗って破損しないよう、１段目として、運搬して間等で冬期に施設近傍の除排雪で集めた雪を夏期の冷房にきた排雪を採熱管エリア以外に一旦降ろし、その後、パワー使用するなど、これまでも検討され、一部で実用化されてショベルなどにより 0.5m～1.0m 程度の高さの雪山を造成いるものの、冷熱源となる雪を集めるコストが嵩むというし、締固めを行った。１段目の雪山造成後、ダンプトラッ課題があった。また、利用する場合でも、屋外で雪を保存クやブルードーザ―で２段目以降の本格的な雪山を造成しし雪冷熱エネルギーを利用する方法については技術的に体た。図－１に２段階雪山の造成イメージを示す。

系化されていないという課題があった。
一方で、道路管理者は、札幌市など都市部での、雪堆積１段目の雪山造成場（道路除雪によって堆積した雪の運搬先）の確保が年々困難となり、遠隔地化しているため、雪を積んだダンプト地中埋設採熱管ラックの輸送距離が長くなることによって、運搬排雪コス雪山の本造成トが増大しているという課題に直面している。
そこで、これらの課題を雪堆積場の雪を雪冷熱エネルギーとして利用することによって解消し、雪冷熱エネルギーの利用促進を図るため、当所では、雪堆積場の雪冷熱地中埋設採熱管利用技術について検討している。平成 26 年度は美唄市（美図－１ ２段階雪山造成のイメージ

唄地域人材開発センター内）に実験用雪山（以下「雪山」
このような２段階の造成は、雪山造成の効率が著しく低という）を造成、実証実験を行った。

下するため、採熱管の埋設深度を検討し、効率的な施工が行えるよう検討した。埋設する架橋ポリエチレン管は、埋２ 実験用雪山の概要
平成 25 年度の基礎実験で得られた結果を踏まえ 1）、雪設するための強度が設定されていないが、架橋ポリエチレ

山下面から採熱する冷水循環式及び雪山表面から採熱するン管工業会の技術資料より施工基準（図－２）を参照し、全空気式について検討の上、平成 26 年度に向けた実験用雪埋設深度を 600mm 及び 300mm に設定した。なお、平成 24

山を設計し、美唄市東明に造成した。

年度の基礎実験の結果から、深度 500mm 付近の地中部は約2.1 採熱方法の検討1.5℃と低温で推移することがわかっている。

永長哲也（独立行政法人土木研究所寒地土木研究所）〒062-8602 札幌市豊平区平岸 1 条 3 丁目 1-34 tel011-590-4049 fax011-590-4054 e-mail：einaga-t22aa@ceri.go.jp331第30回寒地技術シンポジウム（2014年12月2日・3日・4日）

設置は、実験箇所を 300mm 掘削した地面に架橋ポリエチ施工基準

レン管（13mm）を敷設し、掘削土砂により埋戻した上に雪最小土被りｈ

道
道

最小土被り(㎝)
60以上
60以上
60以上
30以上

山を造成した。配管布設状況を写真－１に示す。

10～ 15分
車
公 道
歩
私 道
私有地

掘削溝深さH

区

30㎝
以上

埋設深度

道路設計
図による表5.1

埋戻し砂

第５章

CTC 14-II-034

溝幅
B＝D+30～70cm

図－２ 架橋ポリエチレン管の施工基準（埋設工法）(2) 全空気式
全空気式のうち、地中に採熱管を埋設して熱交換を行う
方式は、冷水循環式と比較し採熱効率が悪く、配管等の資材が大掛かりとなり施工コストも高くなる。
一方、雪山表面で熱交換を行う方式は、雪山造成後に設置でき、設置場所や利用規模をその都度変更することが容写真－１ 配管布設状況（実験Ａ）

易であることから、有効な採熱方法であると考えられる。
平成 25 年度の実験では、時間経過とともに雪山の融解が進み、また、採熱による雪山法面部分からの融解も進ん(2) 実験Ｂ（冷水循環式）

だことから、これらの融解の進行に伴い、地盤面に近いチャ

実験Ｂは、実験Ａと同じ構造であるが、採熱管の埋設深度ンバーや採熱管が地盤面に接し、冷熱を採取できる面積がによる採熱効率の違いを把握するため 600mm とした。配管減少した。
図－３に平成 25 年度における雪山融解と採熱部布設状況を写真－２に示す。

分の推移のイメージを示す。
還チャンバー

雪山表面

採熱管(冷熱採取部分)

還チャンバー

雪山表面

採熱管(冷熱採取部分)

融解の進行

往チャンバー

往チャンバー

還チャンバー
雪山表面
採熱管(冷熱採取部分)
採熱管(冷熱非採取部分)
往チャンバー

還チャンバー
採熱管(冷熱採取部分)

雪山表面

採熱管(冷熱非採取部分)
往チャンバー図－３ 雪山融解と採熱部分の推移（H25 年度）
その改善方策として、雪山上面を利用することとした。
なお、雪山上面に採熱部分を持ってくることにより、断熱材に使用しているバーク材（伐採小木などを粉砕したもの）

写真－２ 配管布設状況（実験Ｂ）

で覆うことが可能となるため、高い断熱効果により、熱損(3) 実験Ｃ（全空気式）失が抑えられ効率的な冷熱利用が期待できる。

実験Ｃは、空気を冷媒として、雪の表面で直接熱交換し2.2 実験種類と配管布設冷却された空気を使用するものである。雪山表面とシート2.1 の検討から、次の３種類の実験を行った。の間の冷却された空気を送風機にて計測室に送風し、再度(1) 実験Ａ（冷水循環式）雪山に戻す全空気式である。

実験Ａは、水を冷媒として、雪山から地中への温度低下と融解水の浸透による配管周囲の温度低下を利用して熱交

設置は、雪山造成後の雪山表面（天端）に樹脂製有孔排換を行うものである。雪山下の地中部に埋設した架橋ポリ水管を敷設し、配管上部に外気との遮断のためのポリエチエチレン管で熱交換した水を、冷水循環ポンプにて計測室

レンシートを敷設し、断熱のためバーク材で被覆する。配内に設置した送風機（FCU）に送水し、再度雪山に戻す冷水管布設状況を写真－３に示す。

循環式である。
332

第30回寒地技術シンポジウム（2014年12月2日・3日・4日）

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写真－４ 雪山全景

写真－３ 配管布設状況（実験Ｃ）
2.3 実験用雪山規模
美唄市内の癸巳雪堆積場から道路排雪を運搬して、美唄

26,000
計測室
送風機
FCU

計測機器室

市東明に実験用雪山を造成した。

スパイラルダクト
200A

流量計

実験１区画当たりの面積は幅 2.5ｍ、奥行 10.0ｍ（実験枝管(VP20)

M

F

M

主管(VP25)

Ｃは 5.0ｍ×奥行 10.0ｍ）とし、雪山高さは採熱のためのF

風速計ｚ

高さを 2.0ｍ、自然融解量を 2.0ｍを見込み 4.0ｍとした。

フレキシブルダクト200A

法勾配比を 1.3:1.0 としたため、融解量を考慮し、底辺は架橋ポリ管13A@150×2回路

幅 26.0ｍ、奥行き 22.0ｍとした。

樹脂製有孔排水管
50A@400×25回路

計測室にはビニールハウス（5.4ｍ×3.6ｍ）を採用した。
なお、データロガー等は計測機器室（仮設ハウス）に設置
22,00010,000チャンバー
200Aした。
雪山の断熱材として、バーク材を 300mm の厚さで被覆しﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝｼｰﾄた。
計測は、7 月 3 日より開始し、採熱状況（温度）、外気
GL-3002,500

温度、風向、風速などの気象観測、雪山の形状変化の定点カメラによる観測、雪山融解高さの定期的な測量などを実実験Ａ
実験Ｂ
冷水循環式 冷水循環式
雪山下面 雪山下面施した。

採熱材料

1005自然融解ライン

図－４ 雪山配置図

雪山規模

雪山下面
底 辺 26.0×22.0m
300mm
架橋ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝ
高 さ 4.0m
雪山下面 管（13A）
勾配比 1.3:1.0
実験Ｂ
600mm
体 積 1,400m3
樹脂製有孔形 状 四角錐台
実験Ｃ 全空気式 雪山表面
排水管（50A）
実験Ａ

実験Ｃ
全空気式
雪山表面

600

表－１ 実験用雪山の規模

5,000

13300を図－２に示す。

104,000 300

実験用雪山規模を表－１、雪山全景を写真－４、配置図

採熱方法 採熱箇所

GL-600
2,500

冷水
循環式

３．実験結果及び考察
7 月 3 日から 31 日（25 日間）までに得られた時間当たり冷熱エネルギー量はそれぞれ、雪山下面 300mm に埋設した架橋ポリエチレン管から採熱する実験Ａは 3.4MJ/h、同
じく雪山下面 600mm に埋設した架橋ポリエチレン管より採熱する実験Ｂは 4.2MJ/h、雪山表面に敷設した樹脂製有孔排水管から採熱する実験Ｃは 18.5MJ/h となった。
図－５～７に冷熱エネルギー量の推移を示す。採熱管の埋設深度の異なる冷水循環式の実験Ａと実験Ｂを比較した
場合、雪山から地中への熱伝達と採熱管周囲への融解水の333第30回寒地技術シンポジウム（2014年12月2日・3日・4日）

浸透による温度低下を利用し採熱するため、深度の浅い実(℃) (MJ/h)

験Ａの採熱効率が良いことを想定していたが、図－５、６30

冷熱エネルギー量-300mm-900mm還ヘッダのとおり実験Ｂの採熱量が２割程度多かった。また、採熱箇所温度（実験Ａは 300mm、実験Ｂは 600mm）を比較してもCTC 14-II-03420

外気温度-600mm
往ヘッダ
計測室温度同じ傾向を示した。そのため採熱管埋設箇所の現状の確認を行うとともに、土中の埋設深度による熱伝達による影響10など原因について調査中である。
全空気式の実験Ｃは雪山表面から直接熱交換しているため採熱量は多かった。ポリエチレンシート上にバーク材

07/3で被覆したため、断熱効果が高く、雪山表面温度も低く抑

7/10

7/17

7/24

7/31

図－５ 冷熱エネルギー量（実験Ａ）えられた。また、雪山の融解に伴う形状変化にも採熱管は追随していた。今後、採熱管の破損状況などがないか確認(℃) (MJ/h)を行う予定である。冷熱エネルギー量（時間当たり）は以30下の計算式で算出した。
20

冷熱エネルギー量-300mm-900mm
還ヘッダ

外気温度-600mm
往ヘッダ
計測室温度

［冷水循環式］ Ｑ＝ｑ×ΔＴ×ｃ×ρ

ここで、Ｑ：冷水循環式の冷熱エネルギー量(kJ/h)
ｑ：ポンプ冷水量(L/h)
ΔＴ：温度差(往ﾍｯﾀﾞｰ,還ﾍｯﾀﾞｰ)(℃)
ｃ：水の比熱(＝1.0×4.186kJ/kg℃)
ρ：水の密度(＝1.0kg/L)［全空気式］ Ｑ＝ｑ×ΔＴ×ｃ×ρ
ここで、Ｑ：全空気式の冷熱エネルギー量(kJ/h)
ｑ：ファン風量(m3/h)
ΔＴ：温度差(往ﾁｬﾝﾊﾞｰ,還ﾁｬﾝﾊﾞｰ)(℃)
ｃ：空気の比熱(＝0.24×4.186kJ/kg℃)
ρ：空気の密度(＝1.293kg/m3)

10

07/3

7/10

7/177/247/31

図－６ 冷熱エネルギー量（実験Ｂ）(℃) (MJ/h)

3020

冷熱エネルギー量

表面

往チャンバ

還チャンバ

外気温度

室内温度

10４．まとめ
実験用雪山を造成して行った実証実験の結果、雪山下面及び雪山表面から、安定して採熱することができた。

07/3

7 月 3 日から 7 月 31 日（25 日間）までに得られた時間

7/10

7/17

7/24

7/31

図－７ 冷熱エネルギー量（実験Ｃ）

当たり冷熱エネルギー量はそれぞれ、実験Ａは 3.4MJ/h、
実験Ｂは 4.2MJ/h、実験 C は 18.5MJ/h となった。
参考文献

冷水循環式の実験Ａ及びＢを比較した場合、実験Ｂの採１）永長哲也，片野浩司，山口和哉：雪堆積場の雪冷熱利

熱量が２割程度多かった。

用技術に係る基礎実験について、第 57 回(平成 25 年度)北全空気式の実験Ｃは雪山表面から直接熱交換しているため採熱量は多かった。ポリエチレンシート上にバーク材

海道開発技術研究発表会、2014.2で被覆したため、断熱効果が高く、雪山表面温度も低く抑

２）美唄自然エネルギー研究会：平成 22 年度「美唄自然エえられた。

ネルギー研究会 研究活動報告書」、平成 23 年６月

今後、雪山の融解量などから、各方式について採熱効率

３）本間弘達，浅川勝貴，船木淳，山上重吉，媚山政良：など比較を行う。また、雪山造成、配管布設等のコスト試“雪山”の造り方、第 23 回寒地技術シンポジウム論文・報算を行い、採熱量に対する実験Ａ～Ｃの評価を実施した上告集 pp13-16、2007.12

で、雪堆積場に適した雪冷熱の取得方法を検討する。併せて、雪山造成及び採熱配管等の施工方法、造成後の雪山のメンテナンス、道路排雪を利用する上での問題点について整理していく。
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